RedCap - 扩展 5G 设备生态系统
由于个人智能手机用户数量受到人口规模的限制，预计未来几年物联网（IoT）设备的数量将比智能手机用户数量增长更快。物联网细分市场
其中，预计到 2028 年底，宽带物联网将占蜂窝物联网连接的 60%[1]。1].宽带物联网包括广域和局域用例，与大规模物联网技术相比，这些用例需要更高的吞吐量、更低的延迟和更大的数据量。这些用例包括智能可穿戴设备和工业传感器等。过去，宽带物联网用例通常由 4G 长期演进 (LTE) 设备类别 1 和 4 提供服务。这些设备
迄今为止，5G 新射频 (NR) 的复杂性和设备成本过高，无法满足宽带物联网的需求，因此在 3GPP 第 17 版中推出了能力减小（RedCap）的 5G NR 设备[2] 。2].
下图 1 展示了不同的 4G/5G 设备类型。在低端，有 NB-IoT 设备类别（Cat-NB1）和 LTE-M 设备类别（Cat-M1），它们都支持相对较低的数据传输速率，适合大规模物联网用例。自 3GPP 第 15 版发布以来，NB-IoT和 LTE-M 满足 5G 大规模机器类通信（mMTC）的要求，因此是 4G 和 5G 的组成部分。在高端，LTE 和 NR 都有针对高峰值速率的设备类型，以满足苛刻用例的要求。在低端和高端之间，LTE 提供多个设备类别（即 Cat-1/2/3/4），而 RedCap 则为这一中端市场提供相应的基于 NR 的设备类型。
图1：4G和5G设备类型示意图。
最简单的 中新通信RedCap 设备，即复杂度尽可能低的 中新通信RedCap 设备，预计可将低频或中频（FR1）设备的调制解调器复杂度降低约 65%，将高频（FR2）设备的调制解调器复杂度降低约 50%，同时保持足够高的峰值数据传输率，以满足要求更高的物联网用例。配备更先进（但非强制）功能的 中新通信RedCap 设备可支持更高的峰值速率。例如，具有两个接收天线分支和下行链路多输入多输出 (MIMO) 层的 中新通信RedCap 设备支持的下行链路峰值速率是最简单的 中新通信RedCap 设备的两倍，因为它允许在两个 MIMO 层上进行双流传输。
满足物联网要求的另一个方面是低能耗，而通过引入扩展不连续接收 (eDRX) 周期和放宽无线电资源管理 (RRM) 监控（在 中新通信RedCap 设备也可支持的第 16 版测量放宽基础上），实现了低能耗。这些功能的引入大大降低了复杂性，并延长了 中新通信RedCap 设备的电池寿命，从而使 NR 能够有效解决从工厂自动化和工业 4.0 到低端增强现实 (AR) 和虚拟现实 (VR) 应用等各种宽带物联网用例。
使用案例和市场潜力
REDCAP的引入将使一个网络，即由RAN和Core Network组成的5G独立网络，以解决各种用于行业数字化和业务转型的用例。此外，REDCAP将有助于扩展5G生态系统，并将更多的设备连接到5G网络。这包括升级基于LTE的网络，这些网络已部署以提供全局的物联网覆盖范围。随着REDCAP的引入，可以平稳迁移到NR以支持此类用例，而无需使用多个大鼠的网络部署。
REDCAP将解决的用例示例包括可穿戴设备，例如智能手表，可穿戴医疗设备以及低端AR/VR眼镜，视频监视，工业传感器，智能网格等（请参见图2）。
这些用例具有巨大的市场潜力，价值数十亿美元。例如，据Gartner3称，全球最终用户在可穿戴设备上的支出估计在2021年为815亿美元，比2020年增长了18％，估计在2022年增加到940亿美元。对于工业应用，REDCAP服务可以通过5G网络为工业设备提供强大的无线连接性和无缝的移动性支持，从而实现了成本效益的行业4.0转换。
每个可寻址的REDCAP用例都有其自身的要求集，与常规的5G NR设备相比，在数据速率和延迟方面的要求较小，而在设备成本/复杂性和功耗方面则更为严格。但是，与MMTC用例相比，REDCAP用例的电池寿命要求相对放松。实际上，如图3所示，REDCAP旨在有效地支持其要求在MMTC定义的更极端要求之间的用例，超级可靠的低延迟通信（URLLC）和增强的移动宽带（EMBB）。但是，REDCAP设备也可能适用于中度（不太极端）MMTC/URLLC/EMBB用例。例如，当将REDCAP要求与EMBB，URLLC和MMTC用例进行比较时，可以注定以下内容2：
延迟：URLLC的目标约为1 ms，而对于RedCap用例，工业传感器的目标小于100毫秒，视频监视少于500毫秒。但是，这些是最低要求，值得注意的是，RedCap设备实际上可以达到比这更好的延迟。
数据速率：EMBB的目标峰值速率在下行链路中最高为20 Gbps，上行链路中的目标峰值为10 Gbps，而对于最苛刻的REDCAP用例（例如，可穿戴设备），下行链路的最高可达150 Mbps和50 mbps，上行链路链路链路。
电池寿命：MMTC的目标是10到15年的电池寿命，而对于Redcap用例，工业传感器的目标是几年，可穿戴设备为一到两周。同样，这些是最低要求，RedCap设备可能能够达到更长的电池寿命。
使用REDCAP及其演变，除了使用任何可用的5G频谱（包括时间划分）和频率分割的三种关键用法方案（EMBB，URLLC，MMTC）外，5G还可以有效地解决中层宽带物联网用例（EMBB，URLLC，MMTC）。双链体（FDD），在所有（低/中/高）频带中。我们的分析表明，在数据速率，延迟，电池寿命和较小的形态方面，REDCAP可以充分满足各种宽带物联网用例的要求。与LTE设备类别4相比，RedCap提供了相似的数据速率，并提高了对各种5G NR功能的潜在支持，包括增强的定位（对个人跟踪器很重要），具有高级波束成形支持的毫米波操作以及网络切片。
降低设备成本和复杂性
如今，许多针对REDCAP的目标用例都可以由低端LTE设备提供，该设备的设备硬件要求大大低于最简单的NR设备。因此，如引言中提到的那样，已经确定了具有降低功能的低复杂性NR设备类型的需求，该设备大致对应于低端LTE设备的功能。
NR调制解调器成本/复杂性降低是通过使用以下表1中总结的技术来完成的。在表中，“最简单的常规5G设备”对应于基本的5G NR设备，例如智能手机，仅具有支持该设备的最低功能，而“最简单的Redcap设备”对应于基本的RedCap设备只有必须支持RedCap设备的最低功能，并且“最先进的RedCap设备”对应于具有最高级（但可选）功能的RedCap设备，可以实现。
我们的分析表明，与最简单的5G设备相比，表1中的技术可以帮助将最简单的REDCAP设备的物质成本降低约65％，而低/MID（FR1）频段和大约降低。高（FR2）频带的50％。此外，接收天线分支的数量减少也可以帮助减少设备的物理尺寸。
可以在最简单和最先进的Redcap设备的REDCAP设备中具有功能。例如，RedCap设备可以支持两个下行链路MIMO层，而无需在下行链路中支持256个正交振幅调制（QAM）。但是，RedCap设备不能支持低/中频带的传输/接收大于20 MHz的带宽，或者对于高频带的发射带宽或超过100 MHz。同样，它不能支持与载体聚集，双重连接性，两个以上接收天线分支，超过两个下行链路MIMO层，一个以上多个传输天线分支，或一个超过一个上行链路MIMO层有关的功能和功能。
除表1中列出的那些技术外，还为RedCap设备引入了针对无线电协议堆栈较高层的一些可选复杂性技术。其中包括将最大数据载体数量从16个减少到8，数据包数据收敛协议（PDCP）和无线电链接控制（RLC）层的序列数量降低从18位到12位，并使自动邻居关系功能可选功能。预计本段中提到的较高层复杂性降低技术不会影响峰值数据速率。
对于最简单的 RedCap 设备，下行链路/上行链路的峰值数据传输速率大约为：低频（FR1 FDD）频段 85/90 Mbps，假设子载波间隔为 15 kHz，且设备支持全双工 FDD。半双工 FDD 设备的峰值速率较低，因为它们不能同时发射和接收。
中（FR1 TDD）频段 50/35 Mbps，假设子载波间隔为 30 kHz，下行链路/上行链路比例为 60/40%。
高（FR2 TDD）频段 240/175 Mbps，假设子载波间隔为 120 kHz，下行链路/上行链路比例为 60/40%。
这些峰值速率足以满足 RedCap 大部分预期用例的要求。更先进的 RedCap 设备可以支持更高的峰值速率，这对低端 AR/VR 用例可能非常有用。图 4 显示了最简单的普通 5G 设备、最先进的 RedCap 设备和最简单的 RedCap 设备在不同频段的最大可实现峰值数据速率的比较。
原则上，通过使用所谓的峰值速率缩放因子报告下调后的峰值速率，这些设备可以支持比图 4 所示更低的峰值数据速率。例如，在 FDD 频段，RedCap 设备只需支持下行/上行约 55/60 Mbps（而不是 85/90 Mbps）的峰值速率。
满足不同的电池寿命要求
与一般 5G 用例相比，部分 RedCap 目标用例对设备电池寿命的要求更为严格。此外，如前所述，不同的 RedCap 用例对设备电池寿命的要求也不同。因此，改善设备电池寿命的解决方案需要考虑这些不同的要求。为了满足这些要求，RedCap 支持减少下行链路监控和移动性测量方面的设备活动，如下所述。
扩展的非连续接收机制
延长电池寿命的关键是不连续接收 (DRX) 机制。这是一种设备在一段时间内关闭接收器电路以节省电量的机制。在 5G 中，网络可以为设备配置 DRX 周期，该周期可以从几百毫秒到几秒不等（最多 2.56 秒），具体取决于下行链路延迟要求。Release 17 中通过为 RedCap 设备引入 eDRX 扩展了此值范围。对于处于无线资源控制 (RRC) 空闲模式的设备，eDRX 周期的值范围最多约为 3 小时，对于处于 RRC 非活动模式的设备，eDRX 周期的值范围最多约为 10.24 秒。此范围与现有的大规模物联网技术 NB-IoT 相同，因此，原则上 RedCap 的相对节能效果可能与 NB-IoT 一样大。
eDRX 的潜在缺点是下行链路延迟增加，因为设备在睡眠周期结束前无法响应。配置 eDRX 周期后，设备唤醒频率会降低，并且无需在睡眠周期内监控寻呼消息和通知。但是，由于 RedCap 用例对延迟的要求不像 eMBB 或 URLLC 用例那么严格，因此可以牺牲延迟来延长电池寿命。
此外，当上行链路中有数据活动时，设备无法保持睡眠状态。因此，上行链路的数据传输越频繁，电池寿命的改善就越小。
因此，电池寿命的改善程度取决于设备在上行链路中传输数据的频率以及设备在睡眠周期中可以处于睡眠状态的时间。图 5 中展示了这一点，其中不同的平均上行链路数据到达间隔时间 (IAT) 由不同的曲线表示，可以观察到，电池寿命的改善随着 RRC 空闲模式下 eDRX 睡眠周期的长度而增加。
图 5：对于不同的数据到达间隔时间 (IAT)，设备电池寿命的改善与 eDRX 睡眠周期长度的关系。
因此，对于下行链路延迟要求非常宽松的设备，增益最大，因为可以配置接近三个小时的 eDRX 周期，并且上行链路中的数据传输频率非常低。在这些评估中考虑的数值范围内，增益例如对于两小时 eDRX 周期最大，其中上行链路中的数据传输活动平均每三个小时一次，在这种情况下，与非 eDRX 情况相比，电池寿命可以延长 80 倍。
在 Release 18 中，RRC Inactive 中的最大 eDRX 周期长度也将延长到大约 3 小时4，以提供与 RRC Idle 中的 eDRX 类似的增益。
RedCap 设备的 RRM 测量放宽
为了实现设备本身和整个网络的最佳性能，必须确保设备连接到信号强度最强的基站。因此，设备对基站广播的下行信号执行 RRM 移动性测量。这会消耗设备中的能源，因为接收器（有时还有发射器）需要保持活动状态。延长设备电池寿命的一种方法是放宽要求，以允许 RedCap 设备以较低的频率执行测量。为此，建议应用宽松的小区监控（也称为宽松测量），允许设备根据操作场景减少测量频率。操作场景以移动性和设备在小区中的位置为特征。
一般而言，所有 5G 设备都可以在不同的活动状态下运行，例如两种低活动状态（RRC Idle 和 RRC Inactive）和高活动状态（RRC Connected）。在 RRC Idle 和 RRC Inactive 状态下，Release 16 NR 中为常规 5G 设备引入的宽松测量允许设备在移动性受限或不在小区边界时减少对相邻小区的测量频率，甚至在某些情况下根本不测量。与 Release 16 的宽松相比，Release 17 中为 RedCap 引入的宽松测量允许进一步放松并支持新的放松场景。例如，放松因子和不对相邻小区执行任何测量的时间段延长了，此外，还为 RedCap 引入了静止场景的放松。这延长了 RedCap 设备的电池寿命。
此外，可以为处于 RRC Idle 或 RRC Inactive 状态的 RedCap 设备配置 eDRX 以及放宽测量。这使设备的电池寿命比仅通过放宽 RRM 测量所能实现的寿命更长。
在 RRC Connected 状态下，没有解决方案支持对常规 5G 设备进行宽松的 RRM 监控。RedCap 引入了解决方案来识别低移动性场景并将结果报告给网络。此信息可作为网络在设备中找到合适的测量配置的基础，以进一步提高电池寿命。
预计这些宽松的测量方法将延长设备电池寿命，以满足某些 RedCap 用例的需求。
RedCap 设备的网络部署方面
重要的是，不同类型的设备能够在同一网络中的同一单元内有效共存。减少 RedCap 设备的带宽或天线数量可能会对 RedCap 设备本身以及其他（非 RedCap）设备的性能产生不良影响。如果需要，网络可以禁止所有 RedCap 设备或其中一部分设备（具体而言，具有单个接收天线分支的 RedCap 设备和/或不支持全双工操作的 RedCap 设备）访问单元。但是，如以下小节所述，通常可以支持不同设备类型之间的有效共存，而不会对整体网络性能产生重大负面影响。
高效确保 RedCap 设备的良好覆盖
在蜂窝网络中，确保所有设备均有良好的覆盖范围非常重要。为了使设备具有良好的覆盖范围，它需要能够在下行链路和上行链路中接收和发送多个数据信道和控制信道。
对于中低频段 (FR1)，由于 RedCap 设备的带宽和接收天线分支数量减少，下行信道的性能可能会受到影响。但是，我们预计 RedCap 设备将实现与常规 5G 设备类似的覆盖范围。原因是，即使功能有所降低，RedCap 设备的下行信道性能也优于常规 5G 设备的瓶颈（最弱）信道。瓶颈信道决定了小区的覆盖范围。对于常规 5G 设备，瓶颈信道通常是上行数据信道 (PUSCH)。因此，在部署 RedCap 之前可能不需要重新调整现有 5G 网络。
对于高频段 (FR2)，RedCap 设备的接收天线分支数量没有减少。此外，RedCap 设备在 FR2 中支持 100 MHz 的相对较大的带宽。基于这些考虑，RedCap 设备有望实现与常规 5G 设备类似的覆盖范围。但是，如表 1 所示，RedCap 设备可以在 FR2 中支持较低的功率等级。这降低了上行链路中的辐射功率要求和下行链路中的参考灵敏度要求。因此，对于使用较低功率等级的设备，某些上行链路和下行链路信道的覆盖范围可能会受到影响。但是，预计可以使用传统技术（例如数据信道的重传）恢复覆盖范围。
还希望确保 RedCap 设备的覆盖范围，而不会不必要地增加下行链路传输所需的无线电资源。为了让网络有效地调度具有不同功能的设备，从而避免不必要地使用许多无线电资源，可能需要尽早识别 RedCap 设备，可能已经在初始接入过程开始时识别。因此，RedCap 设备在随机接入过程的消息 3（这是初始接入过程的一部分）中将自己标识为 RedCap 设备。此外，网络有可能将 RedCap 设备配置为在随机接入过程的消息 1 中就已经识别自己。
避免资源碎片化和信号开销
频谱是蜂窝网络中用户之间共享的基本资源。在每个时隙中，基站都会尝试在频域中高效地为不同用户调度数据传输，以实现高用户吞吐量和高系统容量。这对于下行链路和上行链路都是如此，但上行链路调度带来了额外的挑战，因为每个设备可能只能利用频域中连续的上行链路资源分配。
由于 RedCap 设备的最大带宽可能远小于总小区带宽，因此在小区中部署 RedCap 设备和常规（非 RedCap）设备时，一个潜在的共存问题是上行链路资源碎片化。如果此类资源碎片化导致常规设备无法利用整个可用带宽，则它们可能无法在上行链路中通过较宽的连续频率分配快速传输数据，而是被迫在较长时间内以较窄的带宽分配进行传输。这可能会导致这些常规设备的上行链路峰值数据速率显著降低。
因此，我们要重点介绍两种已标准化的机制，以尽量减少由于 RedCap 设备传输而导致的常规 5G NR 设备上行链路资源碎片化。这些机制如下所述，并在图 6 中进行了说明。
首先，网络可以配置 RedCap 特定的初始带宽部分 (BWP)，与常规设备使用的初始 BWP 分开。此 RedCap 特定的初始 BWP 可以放置在上行链路频率资源的边缘附近，以便为常规设备释放中心的连续资源。由于 RedCap 特定的初始 BWP 主要旨在在初始接入期间短暂使用，因此可以将其配置为无需普通的定期下行链路同步信号和系统信息传输，从而避免额外的信令开销。
其次，网络可以禁用 RedCap 设备所有传输的跳频，以进一步减少上行资源碎片化。在常规 5G NR 中，许多传输可以使用跳频进行，以提高在传播条件不理想的情况下成功接收的概率。但是，当传输在不同频率之间跳跃时，可能会导致不必要的资源碎片化，因此在不需要时停用跳频可能是一个好主意。在常规 5G NR 中，除了一个传输之外，可以停用所有传输的跳频，但对于 RedCap 设备，也可以停用此传输的跳频（具体而言，在初始接入过程中在所谓的物理上行链路控制信道 (PUCCH) 上传输 1 位确认），以最大限度地减少上行资源碎片化。
图 6：避免资源碎片化和信令开销的机制说明。
可以为常规设备和 RedCap 设备配置单独的初始带宽部分 (BWP)。
RedCap 特定的初始 BWP 可以配置在运营商边缘附近，以避免资源碎片化。
RedCap 特定的初始 BWP 不需要包含同步信号和系统信息。
可以对所有上行链路传输（包括 PUCCH）禁用跳频，以进一步避免资源碎片化。
确保高网络容量和小区频谱效率
由于设备复杂度的降低，RedCap 链路性能必然会降低。由于网络中有许多 RedCap 用户，人们可能会担心这会间接导致非 RedCap 性能下降，并对 eMBB 性能等产生负面影响。因此，我们运行了系统级模拟，以根据 3GPP 同意的评估假设研究影响（详细信息和进一步结果见5）。在上行链路中，我们发现 RedCap 用户的存在对 eMBB 用户吞吐量和性能没有任何明显影响。对于下行链路，具有 1 个接收天线分支的 RedCap 设备将产生最大影响，在图 7 中显示了此类 RedCap 用户中越来越多比例的 eMBB 用户吞吐量中位数（请注意，与用户吞吐量不同，当没有任何内容可传输时，小区吞吐量也会随时间平均）。
图 7：RedCap 用户数量的增加对 eMBB 用户吞吐量的影响。
从图 7 的结果可以看出，在低平均小区负载下，eMBB 用户吞吐量没有受到影响。在更高的负载下，可以注意到 eMBB 性能略有下降，但仅限于 50% 或更多的 RedCap 用户（具有 1 个接收天线分支）。对于覆盖范围较差（第五百分位）的 eMBB 用户，趋势相同，而对于覆盖范围良好（第 95 百分位）的 eMBB 用户，RedCap 用户比例增加根本不会产生影响。因此，从这些模拟中得出的结论是，在大多数用户不是具有 1 个接收天线分支的 RedCap 类型且负载不高的实际情况下，eMBB 性能实际上不会受到明显影响。
物联网用例的进一步演进和 LTE 到 NR 的迁移
如上所述，Release 17 中引入的 RedCap 设备具有与现有低端 LTE 设备类别（例如 Cat-2、Cat-3 或 Cat-4）类似的峰值速率和复杂度。当目前由低端 LTE 设备服务的用例最终需要迁移到 NR 时，这使得 RedCap 设备成为替代低端 LTE 设备的理想选择。设备硬件要求（在带宽、天线数量、支持的调制等方面）与低端 LTE 设备类似，这有助于实现支持低端 LTE 设备类别和 RedCap 设备类型的双模设备（如果需要）。
此外，对于峰值速率要求更低的物联网用例，Release 18 中将引入一种新的 RedCap 设备类型，其峰值速率目标约为 10 Mbps 4，与最低普通 LTE 设备类别（即 Cat-1 及其单天线变体 Cat-1bis）的峰值速率相当。但是，与最简单的 Release 17 RedCap 设备相比，预计额外的复杂性降低将相对较小（不到 10%）。有关 4G 和 5G 设备类型的比较，请参见图 1。
此外，位置服务的精确定位对于许多物联网用例至关重要。第 17 版已支持 RedCap 设备的基本定位，但第 18 版引入了对 RedCap 设备的改进定位支持，以适应其功能减弱的情况。
由于与 LTE/LTE-M/NB-IoT 相比，5G NR 支持更广泛的频段和部署选项，因此可以预期 RedCap 设备可以在新的场景中实现物联网用例。例如，可能需要在 LTE-M/NB-IoT 没有标准支持或没有产品生态系统的频段（例如，在中/高 TDD 频段）支持大规模物联网用例，在这种情况下，我们设想 RedCap 能够替代 LTE-M/NB-IoT。
从网络角度来看，对 RedCap 设备的支持有望作为网络的软件升级引入，也就是说，无需部署任何新硬件。需要注意的是，RedCap 支持与普通 NR 相同的频谱共享技术6，这意味着如果需要，可以在同一蜂窝载波上支持不同类型的设备（LTE、LTE-M、NB-IoT、NR、RedCap）。
结论
在第 17 版中引入 RedCap 设备，预计将通过引入比常规 5G NR 设备具有更低成本/复杂性、更小尺寸和更长电池寿命的新设备来扩展 5G 设备生态系统。对于许多非高端的物联网用例，NR 设备功能过于强大，并且对于此类用例而言可能不具成本效益。RedCap 属于宽带物联网类别，旨在满足这一细分市场的需求。RedCap 设想的重要用例包括可穿戴设备、工业无线传感器、视频监控摄像头和低端 AR/VR 应用。
此外，当目前由低端 LTE 设备支持的用例最终需要迁移到 NR 时，RedCap 设备是替代低端 LTE 设备的理想选择。RedCap 还可以在没有标准支持或没有产品生态系统的频段（例如，在中/高 TDD 频段）替代 LTE-M/NB-IoT。
预计第 18 版将进一步简化 RedCap 的设备，以更好地支持第 17 版用例，并支持扩展到新的用例领域。但是，与第 17 版相比，第 18 版的成本/复杂性进一步降低预计会很小。
正如本白皮书所述，RedCap 设备可以与其他 NR 设备类型高效共存，而不会对整体网络性能产生重大负面影响。此外，RedCap 还继承了 5G NR 的许多关键优势，例如支持广泛的频段（包括毫米波频段）和部署选项、原生 5G 核心网络、精简 NR 设计带来的高网络能效、低延迟、基于波束的空中接口等。
总而言之，RedCap 以设备和网络都具有吸引力的的方式为消费者和行业扩展了 5G 设备生态系统。